KR100856691B1

KR100856691B1 - 친환경 타이어 트레드용 고무 조성물

Info

Publication number: KR100856691B1
Application number: KR1020070086356A
Authority: KR
Inventors: 전재현; 송영진
Original assignee: 한국타이어 주식회사
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2008-09-04

Abstract

본 발명은 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 친환경적이면서도 내마모성 및 제동 성능도 향상된 친환경 타이어 트레드용 고무 조성물에 관한 것이다.

본 발명에 따른 친환경 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료고무와 원료고무 100 중량부 대비 60 내지 100 중량부의 실리카와 연화제로서 15 내지 40 중량부의 부타디엔-스타이렌 공중합체를 포함한다.

상기와 같은 타이어 트레드용 고무 조성물에 따르면 최근 환경 규제의 강화에 따른 환경 친화적 물질 사용의 선호와 관련하여 방향족 오일을 용액 타입의 부타디엔-스타이렌 공중합체로 대체 사용함으로써 친환경적 타이어 고무를 제조할 수 있다.

타이어*트레드*친환경

Description

친환경 타이어 트레드용 고무 조성물{Rubber composition for environmentally-friendly tire tread}

타이어 고무 조성물은 일정량의 연화제 첨가로 인해 분말 배합제의 젖음을 좋게 하여 혼련 및 분산이 용이하게 되고 배합제를 혼련할 때 온도 상승의 감소와 소비 전력의 절감이 가능하게 된다. 또한 혼련 후 배합 고무의 가소성이 증가하여 압출, 압연, 성형 등에서 가공성이 향상된다.

이러한 효과를 위해 연화제로 일반적으로 사용되는 방향족 오일(Aromatic Oil)은 정련 및 압출 공정에서 가공성 향상 및 최적의 물성 구현에 효과적인 것으로 알려져 있으나 유리 전이 온도(Tg), 분자량, 점도, 미세구조 조절 등에 제한성이 있어 최적의 타이어 성능 구현에는 한계를 지니고 있다.

또한 최근 유럽 지역에서 환경규제와 관련하여 친환경적인 물질 사용에 대한 요구가 증대되고 있는 가운데 방향족 오일 안에 폴리사이클릭 아로마틱(Polycyclic aromatic, PCA) 함량이 3 중량% 이상일 때는 암 유발 가능성이 높은 것으로 알려져 유럽 고무협회(BRIC)에서는 대책 마련에 나서고 있는 실정이다. EU에서도 구체적인 사용 규제 방안을 마련하여, 벤조파이렌(Benzo(a)pyrene), 즉 폴리사이클릭 아로마틱 하이드로카본(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon, PAH)의 함량이 1mg/kg이고, 8개 주요 PAH 물질의 전체 함량이 10 mg/kg 보다 많거나, PAC 함량이 3 중량% 이상일 때는 판매를 금지하는 제도를 2010년 1월 1일 이후부터 시행하는 것을 법규화 함으로써 모든 타이어 제조사는 이를 시급히 해결해야 할 문제로 여기고 있다.

상기와 같은 PAC 함량이 낮은 고무조성물에 대한 종래기술로 대한민국 특허공개 제2004-79269호에서는 SBR, BR 및 천연고무 또는 BR 또는 천연고무로 구성된 원료고무에 PCA 함량이 3% 이하인 아로마틱 오일과, 카드뮴 함량이 0.006% 이하이고, 납 함량이 0.1% 이하인 아연화를 포함하여 제조된 스노우 타이어용 트레드 고무 조성물로서, 유해물질을 적게 포함하면서도 기존의 트레드 고무조성물과 동등한 수준을 유지할 수 있다고 개시되어 있다.

또한, 대한민국 특허공개 제2004-55029호에서는 천연고무와 부타디엔 고무의 비율이 4:6 내지 6:4인 원료고무에 PCA 함량이 3% 미만인 파라핀 오일을 3 내지 5 중량부로 포함하여 제조된 트럭 또는 버스 타이어용 사이드월 고무조성물이 기재되어 있으며, 이렇게 제조된 고무조성물의 물성은 기존 기술과 동등 또는 그 이상이면서 환경친화적인 조성물을 제공할 수 있다고 개시되어 있다.

그러나, 상기와 같은 종래기술에서는 PCA 사용을 억제할 뿐 그에 대한 완전한 배제를 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 방향족 오일과 달리 다양한 미세구조 조절이 가능하며, 고무와의 상용성을 높일 수 있는 비방향족(Non Aromatic)인 부타디엔-스타이렌 공중합체를 연화제로 사용하여 타이어 성능은 기존 기술 이상으로 유지하고, 아울러 친환경적 요구에 부합할 수 있는 타이어 트레드용 고무 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

본 발명에 따른 친환경 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료고무와 상기 원료고무 100 중량부 대비 60 내지 100 중량부의 실리카와, 연화제로서 15 내지 40 중량부의 부타디엔-스타이렌 공중합체를 포함한다.

여기서, 상기 부타디엔-스타이렌 공중합체는 수평균분자량이 3,500 내지 5,500 이고, 1,2 비닐 함량은 60 내지 75 중량%이고, 스타이렌 함량이 15 내지 30 중량%인 것이 바람직하다.

또한, 상기 실리카는 질소흡착 비표면적이 150 내지 190 ㎡/g, CTAB 표면적이 140 내지 180 ㎡/g 인 것이 바람직하다.

또한, 상기 원료고무는 네오디미움 부타디엔 고무를 포함하고, 원료고무 100 중량부 중에서 10 내지 40 중량부로 함유되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 연화제는 방향성 오일을 함유하지 않는 것이 바람직하다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이상과 같은 본 발명에 따른 친환경 타이어 트레드용 고무 조성물은 다음과 같은 효과를 제공한다.

연화제로서 용액 타입의 부타디엔-스타이렌 공중합체를 사용함으로써 고무 매트릭스와의 상용성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 저온이나 고온 영역에서 뛰어난 가소성 및 타이어 성능 향상을 기할 수 있다.

또한, 방향족 오일이 포함되지 않아 친환경적이기 때문에 강화된 환경규제에 보다 널리 사용될 수 있는 이점이 있다.

그리고, 종래의 기술과 대비하여도 내마모성 및 제동특성 등에서 동등 이상의 성능을 유지시킬 수 있다.

본 발명에 따른 친환경 타이어 트레드용 고무 조성물은 원료고무와 실리카와 부타디엔-스타이렌 공중합체를 포함한다.

본 발명에 따른 상기 원료고무는 용액중합 스타이렌-부타디엔 고무와 부타디엔 고무로서, 용액중합 스타이렌-부타디엔 고무는 오일을 함유하지 않고, 실리카와 친화도가 높으면서 스타이렌 함량 15 내지 30%이고, 비닐 함량 60% 이상인 것으로 전체 원료고무 100 중량부 중에서 60 내지 90 중량부로 사용된다.

또한, 상기 용액중합 스타이렌-부타디엔 고무의 유리전이온도(Tg)는 -20 내지 -40℃이며, 분자량 분포가 1.3 내지 3.0의 값을 만족하는 것이 바람직하다.

원료고무 100중량부 중에 용액중합 스타이렌-부타디엔 고무가 60 중량부 미만일 경우 타이어의 칩핑, 컷팅 성능 및 제동성능이 불리하게 되며, 90 중량부를 초과하게 되면 마모 성능이 저하되는 문제점이 있다.

또한 상기 용액중합 스타이렌-부타디엔 고무 내의 스타이렌 함량이 상기 범위를 벗어날 경우 저연비성, 내마모성 및 가공성이 불리하고, 비닐 함량이 60%미만 일 경우에는 제동성능이 저하되는 문제점이 발생한다.

그리고, 분자량 분포가 1.3 미만이면 가공성이 불리하며, 3.0을 초과하면 저연비성, 내마모성 및 조정안정 성능 등이 불리해지며, Tg가 상기의 범위를 벗어나면 내마모성, 제동성, 조정안정 성능 등 최적 성능 구현이 어려우므로 이러한 이유에서 Tg, 분자량 분포는 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.

상기 부타디엔 고무(BR)는 전체 원료고무 100 중량부 중에서 10 내지 40 중량부로 사용되는바, 부타디엔 고무의 함량이 상기 범위를 벗어날 경우 제동성능 및 가공성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 상기 부타디엔 고무로 네오디미움 부타디엔 고무(Nd-BR)를 사용하였는바, 이러한 네오디미움 부타디엔 고무는 98% 이상의 높은 cis 함량 및 높은 선형성(linearity)의 특성을 나타내므로 내마모성 및 제동특성 향상의 측면에서 니켈-부타디엔 고무(Ni-BR)를 대체하여 사용하는 것이 바람직하다.

상기 부타디엔-스타이렌 공중합체는 PCA(Polycyclic Aromatics)성분을 포함하지 않는 용액 타입의 연화제로서 수 평균 분자량(Number of molecular weight, Mn)이 3,500~5,500 이고, 부타디엔 내의 1,2 비닐 함량이 60~75%, Tg가 -30 내지 -15℃인 것으로 원료고무 100 중량부에 대해 15~40 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.

사용되는 양이 15 중량부 미만인 경우에는 고무의 가공성이 저하되어 공정능력에 문제가 발생하며, 40중량부 초과 사용시 보강제의 분산 불량을 초래하여 타이어 물성을 감소시킬 위험이 있다.

상기 실리카는 질소 표면적 측정방법을 이용하여 질소흡착 비표면적이 150 ~ 190 m²/g, CTAB 표면적 측정방법을 이용하여 CTAB(세틸트리메틸 암모늄 브로마이드; Cetyltrimethyl Ammonium Bromide) 비표면적이 140 ~ 180 m²/g 인 것이 바람직하다.

비표면적이 상기 범위보다 작을 경우 마모성능과 같은 보강성능이 저하되는 문제점이 있고, 큰 경우 가류 시간이 느려질 뿐만 아니라 현장에서 가공성이 불리해질 수 있는 문제가 있기 때문에 상기 범위를 만족하는 것이 더욱 바람직하다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 보다 상세히 설명하지만 본 발명이 하기 실시예에 의해 제한되지 않음은 주지되어야 할 것이다.

실시예 및 비교예

[비교예]

하기의 표 1과 같이 용액중합 스타이렌-부타디엔 고무(S-SBR) 74 중량부, 폴리부타디엔 고무로는 니켈 촉매를 이용한 Ni-BR 26 중량부에 대하여 통상적으로 고무조성물의 첨가제로 사용하는 실리카 60 ~ 100 중량부, 방향족 오일 28 중량부, 아연화 2 중량부, 스테아린산 1 중량부, 오일로 처리된 유황 1.6 중량부 및 촉진제 2 중량부의 배합비로 배합한 고무 조성물을 168℃ 에서 가류시켜 고무 시편을 제조하였다.

[실시예 1]

연화제로 방향족 오일 대신에 수 평균 분자량(Number of molecular weight, Mn)이 3,500~5,500 이고 1,2 비닐 함량이 60~75%, 유리전이온도 -30~-15℃인 부타디엔-스타이렌 공중합체(상품명 : RICON 100) 28 중량부를 사용하는 것을 제외하고는 상기 비교예와 같은 조성물, 조성비 및 방법을 이용하여 고무시편을 제조하였다.

[실시예 2]

98% 이상의 높은 cis 함량 및 높은 선형성(linearity)의 특성을 지닌 네오디미움 부타디엔 고무(Nd-BR)를 사용하고, 부타디엔-스타이렌 공중합체 32 중량부를 제외하고는 상기 비교예와 같은 조성물, 조성비 및 방법을 이용하여 고무시편을 제조하였다.

비교예 및 실시예의 고무 조성물

배합제		비교예	실시예 1	실시예 2
용액중합 스타이렌 부타디엔 고무(S-SBR)⁽¹⁾		74	74	74
니켈 부타디엔 고무(Ni-BR)⁽²⁾		26	26
네오디미움 부타디엔 고무(Nd-BR)⁽³⁾				26
실리카⁽⁴⁾		80	80	80
실란 커플링제		7.5	7.5	7.5
산화아연		2	2	2
스테아린산		1	1	1
연화제	방향족 오일	28
연화제	부타디엔-스타이렌 공중합체⁽⁵⁾		28	32
유황		1.6	1.6	1.6
촉진제		2.0	2.0	2.0

㈜

(1) 스타이렌 함량 25%, Tg -24℃, 분자량 분포도는 2.0~3.0

(2) cis 함량 95% 이상, Tg -100 ~ -110℃, 분자량 분포도는 5.0~6.0

(3) cis 함량 98% 이상, Tg -108 ~ -110℃, 분자량 분포도는 2.1~3.1

(4) 질소흡착 비표면적이 150 ~ 190 m²/g, CTAB 표면적 140 ~ 180 m²/g

(5) 상품명 Ricon 100

물성 측정은 다음과 같은 방법에 의해 실시하였으며 그 결과는 [표 2]에 나타내었다.

물성 측정 결과

물성	비교예	실시예 1	실시예 2
경도	70	69	70
100% Modulus	30	26	29
내마모성 지수	100	101	105
제동 특성⁽¹⁾	100	103	105

㈜

(1) 0.5% strain, 10 Hz, Temp. sweep에 의하여 0℃ tanδ를 측정.

상기 [표 2]에서와 같이 부타디엔-스타이렌 공중합체를 첨가함으로써 종래의 방향족 오일을 사용한 고무 조성물과 비교 시 친화경적이며, 동등 이상의 타이어 성능을 얻음을 알 수 있다.

또한, 상기 실시예 2에서와 같이 부타디엔-스타이렌 공중합체를 증량하고 내마모성 개선을 위해 니켈 촉매를 사용한 부타디엔 고무를 네오디미움 부타디엔 고무로 동량 대체 시 내마모성 및 제동특성이 향상 되었음을 알 수 있다.

이상의 결과에서 보는 바와 같이, 타이어 트레드 고무 조성물에 있어서 방향성 오일 대신에 PCA성분이 없는 부타디엔-스타이렌 공중합체를 연화제로 사용함으로써 기존 타이어 대비 친환경적이면서 내마모성 및 제동특성 등에서 동등 이상의 성능을 갖는 타이어를 제조할 수 있었다.

Claims

원료고무와;

상기 원료고무 100 중량부 대비 60 내지 100 중량부의 실리카와, 연화제로서 15 내지 40 중량부의 부타디엔-스타이렌 공중합체를 포함하고,

상기 연화제는 방향족 오일을 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 친환경 타이어 트레드용 고무 조성물.
제 1항에 있어서,

상기 부타디엔-스타이렌 공중합체는 수평균분자량이 3,500 내지 5,500 이고, 1,2 비닐 함량은 60 내지 75 중량%이고, 스타이렌 함량이 15 내지 30 중량%인 것을 특징으로 하는 친환경 타이어 트레드용 고무 조성물.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 실리카는 질소흡착 비표면적이 150 내지 190 ㎡/g, CTAB 표면적이 140 내지 180 ㎡/g 인 것을 특징으로 하는 친환경 타이어 트레드용 고무 조성물.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 원료고무는 네오디미움 부타디엔 고무를 포함하고, 원료고무 100 중량부 중에서 10 내지 40 중량부로 함유되는 것을 특징으로 하는 친환경 타이어 트레드용 고무 조성물.
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